專利名稱：一種利用微生物降解煤以制取生物氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用微生物降解煤以制取生物氣的方法。
背景技術(shù)：
煤層甲烷，又稱煤層氣，是一種新型潔凈能源，也是我國重要的潛在接替能源。經(jīng)過30余年的煤層氣勘探開發(fā)歷程，在美國已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)，2007年全美煤層氣產(chǎn)量突破600億立方米。我國在經(jīng)歷了 20余年的艱難探索后，目前在山西的沁水盆地、河東煤田實現(xiàn)了局部商業(yè)化開發(fā)，標志著這一潔凈能源即將成為我國一次能源的重要補充， 將對我國能源結(jié)構(gòu)的改善起推動作用。煤層氣在全球范圍內(nèi)具有較大的儲備量，然而，根據(jù)弗洛雷斯等的研究，一口典型煤層氣井的開采期約為7-8年左右，此外，煤層氣的消耗量也在逐年增加。因此，如何勘探開發(fā)出更多的潛在煤層氣資源，是目前人們關(guān)注的焦點。常規(guī)煤層氣開采方式主要為注水壓裂開采煤層氣以及新提出的注氣壓裂開采煤層氣。然而，由于技術(shù)限制，目前的可采煤層多為可滲透煤層和淺煤層，且這種可利用的煤層氣也面臨枯竭。因此，尋找新的煤層氣開采方式是目前各國面臨的挑戰(zhàn)。將煤轉(zhuǎn)化為煤層氣以增強煤層中煤層氣的富集程度，便于常規(guī)煤層氣的開采也是解決這個問題的新方法。20世紀80年代，國內(nèi)外很多學者在實驗室條件下發(fā)現(xiàn)微生物可以降解煤，隨著研究的深入，越來越多的實驗室證據(jù)證明煤可以被微生物降解產(chǎn)生甲烷，即煤可以在一定的條件下轉(zhuǎn)化為生物成因煤層氣。傳統(tǒng)的采煤技術(shù)往往會產(chǎn)生采空區(qū)，煤礦采空區(qū)殘留的煤占其資源總量的30-50%，是不可被再開采的資源，若能接種微生物進行原位處理，則可使這部分殘煤轉(zhuǎn)化為甲烷，實現(xiàn)生物采殘煤，形成新的煤層氣生物工程領(lǐng)域。此外，煤層生物甲烷的形成存在CO2還原途徑已成為共識，因此，可向煤層注入CO2強化甲烷產(chǎn)出，同時將(X)2注入目前經(jīng)濟技術(shù)條件下還不可采的煤層(如深部煤層或薄煤層)，還能實現(xiàn)溫室氣體減排。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，以對目前的采空區(qū)中殘煤進行充分利用。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，步驟如下
1)對目的區(qū)進行地質(zhì)、采礦基礎(chǔ)資料的收集，并采取煤樣和水樣，并對所取水樣進行厭氧菌群檢測；
2)在目的區(qū)原始溫度、pH和礦化度條件下，在實驗室內(nèi)模擬生物甲烷產(chǎn)出的環(huán)境，利用煤樣進行無氧條件制生物氣小樣實驗，以單位質(zhì)量煤產(chǎn)出的甲烷量為標準，確定最適合的培養(yǎng)基配方以富集培養(yǎng)礦井水及煤中所含菌種；
其中，目的區(qū)原始溫度基本上在15-35°C間。
無氧條件可以通過在反應(yīng)瓶中充填N2進行保持。培養(yǎng)基為產(chǎn)甲烷菌富集培養(yǎng)基。3)在實驗室小樣實驗中，同時設(shè)計需氧菌-厭氧菌聯(lián)合降解模式的樣品在煤樣中同時加入白腐真菌菌液、水樣以及培養(yǎng)基，確定各物質(zhì)最佳的添加比例；
此步驟小樣研究是為了與完全厭氧菌發(fā)酵樣品做對比，以明確需氧菌對煤體降解及甲烷產(chǎn)出的貢獻。在與步驟2)相同的溫度、ρΗ、Η!條件下，添加白腐真菌菌液于反應(yīng)瓶中(以菌液形式與煤體以一定比例進行混合)，不充填隊，利用白腐菌消耗反應(yīng)瓶內(nèi)殘余02，為后續(xù)的厭氧菌發(fā)酵提供無氧環(huán)境。同時也利用白腐菌對煤的良好降解能力，為后續(xù)甲烷的產(chǎn)出提供大量的小分子物質(zhì)。后續(xù)厭氧菌只需加入水樣以及培養(yǎng)基即可，為了試驗便于進行，可將水樣、培養(yǎng)基與白腐真菌菌液一起加入。4)根據(jù)目的區(qū)的含氧情況確定采用厭氧菌群發(fā)酵還是需氧菌-厭氧菌聯(lián)合發(fā)酵的方式，根據(jù)實驗室小樣實驗結(jié)果，確定培養(yǎng)基以及白腐真菌菌液的投加量；
5)對目的區(qū)制取生物氣若為有氧環(huán)境，通過鉆孔預(yù)先投加白腐真菌菌液于目的區(qū)中， 監(jiān)測反應(yīng)產(chǎn)出的CO2氣體濃度，待目的區(qū)內(nèi)形成無氧環(huán)境后，將步驟2)中確定的培養(yǎng)基與目的區(qū)所采水樣混合，注入采空區(qū)中，密封井口，監(jiān)測產(chǎn)出氣體成分和濃度的變化；此過程中， 根據(jù)甲烷和二氧化碳的產(chǎn)出濃度、產(chǎn)出量，調(diào)整投加白腐真菌以及礦井水和培養(yǎng)基的量，最大程度地降解殘煤；若為無氧環(huán)境，略去投加白腐真菌的步驟，直接進行注入培養(yǎng)基與目的區(qū)所采水樣的操作；
6)待甲烷濃度達到可利用程度，通過地面煤層氣抽采方式將轉(zhuǎn)化后的生物氣采出利用。步驟1)中所述對所取水樣進行厭氧菌群檢測為對礦井水中本源微生物進行分離計數(shù)并進行生理生化特征鑒定。對目的區(qū)進行地質(zhì)、采礦基礎(chǔ)資料的收集，具體可以通過煤巖學、煤化學、穩(wěn)定同位素地球化學、水文地質(zhì)學以及氣相色譜技術(shù)研究，分析所采煤樣的巖石學、化學組成和煤與氣體碳同位素組成，查明目的區(qū)地下水水質(zhì)和地下水介質(zhì)條件。具體的，煤樣可以通過繩索取心取樣，水樣通過鉆孔處抽出取樣。
所述的厭氧菌群為厭氧發(fā)酵菌、厭氧纖維素分解菌、硫酸鹽還原菌以及產(chǎn)甲烷菌。步驟3)中，添加白腐真菌菌液進行實驗的同時，設(shè)計無煤空白樣以消除培養(yǎng)基產(chǎn)氣的干擾。所述的白腐真菌菌液為白腐菌接種于PDA種子培養(yǎng)基中于35°C恒溫培養(yǎng)3天所獲得的菌液。步驟5)中，白腐菌菌液投加量以小樣實驗中添加量為參照注入采空區(qū)中。白腐真菌以及只含有產(chǎn)甲烷菌富集培養(yǎng)基的礦井水的第一次添加比例以小樣實驗為參照。然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行調(diào)整，有必要時可多次添加。步驟6 )中，具體可建立地面煤層氣井抽采裝置，將轉(zhuǎn)化后的生物氣抽出利用。本發(fā)明提供的一種利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，主要是利用微生物對煤的有效降解和轉(zhuǎn)化的能力，將采空區(qū)中大量殘余煤轉(zhuǎn)化為生物甲烷，以地面煤層氣開采方式進行開發(fā)利用。一方面，對采空區(qū)中原有菌種(利于生物氣產(chǎn)出的菌群)進行有針對性的原位富集，同時可根據(jù)不同的初始環(huán)境(有氧、無氧)選擇不同的產(chǎn)氣模式，亦可通過重復(fù)添加營養(yǎng)物質(zhì)，以稀釋有害代謝產(chǎn)物濃度并對菌群進行再次富集，使其多次降解轉(zhuǎn)化殘煤以產(chǎn)出生物甲烷，以達到有效利用殘煤的目的。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，有以下優(yōu)點
1)本發(fā)明適用于任何環(huán)境，有氧、無氧都可?？梢圆捎眯柩蹙?白腐真菌)和厭氧菌聯(lián)合降解煤體。白腐真菌需氧降解的特性可以預(yù)先消耗采空區(qū)內(nèi)氧氣，并產(chǎn)生大量二氧化碳等物質(zhì)，為厭氧菌群創(chuàng)造生長環(huán)境，以保障生物甲烷的產(chǎn)出；同時，白腐真菌對煤體大分子結(jié)構(gòu)(包括木質(zhì)素、纖維素等)的有效降解也為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造了大量的小分子物質(zhì)，以輔助厭氧菌群合成生物甲烷氣，增加煤體轉(zhuǎn)化率，提高生物甲烷的濃度。
2 )白腐真菌對環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，且成本較低，具有工程開發(fā)的可行性。3)本發(fā)明在室溫(15°C 35°C)情況下，均能保證生物甲烷的持續(xù)產(chǎn)出，無需考慮以升溫方式激活菌種，從而有效降低開發(fā)成本。4)本發(fā)明有選擇性和針對性的進行菌種的多次富集、投加，能更加有效地利用不同類型菌群，并提高其作用效果，增加煤體降解率，提高生物甲烷產(chǎn)出量。


圖1為本發(fā)明微生物降解煤以制取生物氣的方法流程框圖。
具體實施例方式以下以具體實施例來說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護范圍不限于此 實施例一種利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，具體步驟如下
(1)收集資料，同時采取煤樣和水樣，并對所取水樣進行厭氧菌群檢測。(2)以所采礦井水樣作為菌種來源，在厭氧手套箱中，用產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌、厭氧纖維素分解菌及硫酸鹽還原菌的培養(yǎng)基，進行分離計數(shù)，以明確其中本源微生物種類，并進行選擇性培養(yǎng)，具體所用培養(yǎng)基配方如下
1)厭氧產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌培養(yǎng)基
葡萄糖25g，胰蛋白胨3g，牛肉膏2.5g，酵母汁1. 5g, NaCl 5g, K2HPO4 lg，MgCl2 0. 4g，F(xiàn)eSO4 · 7H20 0. 3g，L-半胱氨酸 0. 5g，pH 7. 0-7. 2
2)厭氧纖維素分解菌培養(yǎng)基
硫酸氨3g，二水合磷酸氫二鉀lg，硫酸鎂0. 58g，NaCl lg，蒸餾水1000ml，pH 7. 0-7. 2。每管插入濾紙片一片，另加入還原劑L-半胱氨酸和氧化還原指示劑刃天青。3)產(chǎn)甲烷菌富集培養(yǎng)基
氯化銨lg，三水磷酸氫二鉀0.4g，氯化鈉40g，酵母膏l(xiāng)g，0. 1%刃天青l(xiāng)ml，氯化鎂 0. lg，胰蛋白胨lg，半胱氨酸0. 5g，蒸餾水1000ml。4)產(chǎn)甲烷菌分離培養(yǎng)基
NH4Cl IgjMgCl2 lg, K2HPO4 0. 4g, KH2PO4 0.4g，胰蛋白胨 2g，酵母浸膏 lg，微量元素液 10ml，維生素溶液 10ml，0. 2% 刃天青 1ml，蒸餾水 1000ml, pH 6.8-7.0。5)厭氧硫酸鹽還原菌培養(yǎng)基
乳酸鈉 3. 5g, Ii2HPO4 0. 5g, Na2SO4 0. 5g, MgSO4 · 7H20 2. Og, NH4Cl 1. Og, FeS04 · 7H20 0.5g，CaC12 O.lg，酵母膏 1. 0g，刃天青(0. 1%) lmL，蒸餾水 1000ml, pH 6.8-7.0。
6)基礎(chǔ)厭氧培養(yǎng)基
蛋白胨20g，目示胨1.5g，牛肉膏1. 15g，酵母浸膏10g，葡萄糖3g，磷酸二氫鉀2. 5g， 氯化鈉3g，可溶性淀粉5g，L-半胱氨酸0.3g，硫乙醇酸鈉0.3g，瓊脂15g，蒸餾水 1000ml。7)白腐菌用PDA培養(yǎng)基
馬鈴薯60g，葡萄糖6g，蛋白胨1.5g，蒸餾水1000ml。8)微量元素液
氨基三乙酸 1. 5g, MnSO4 · 2H20 0. 5g, MgSO4 · 7H20 3. Og, FeSO4 · 7H20 0. lg, NaCl lg, CoCl2 · 6H20 0. lg, CaCl2 · 2H20 0. lg, CuSO4 · 5H20 0. Olg, ZnSO4 · 7H20 0. lg, H3BO3 0. Olg, Al(SO4)2 0. Olg，NiCl2 · 6H20 0. 02g, Na2MoO4 O.Olg，蒸溜水 1000ml。9)維生素溶液
生物素 2mg，葉酸 2mg, B6 IOmg, B2 5mg, Bl 5mg，煙酸 5mg，泛酸鈣 5mg, B12 0. lg，對氨基苯甲酸5mg，硫辛酸5mg，蒸餾水1000ml。(3)實驗室內(nèi)模擬生物甲烷產(chǎn)出的過程，將煤樣(粉狀，過60目篩)與礦井水和產(chǎn)甲烷菌富集培養(yǎng)基以1:10:2的質(zhì)量比例混合，在初始pH為7左右、Eh為0左右條件下進行培養(yǎng)，調(diào)節(jié)溫度為35°C，于恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)；利用排水集氣法收集氣體；利用氣相色譜法分析氣體成分及CH4含量為甲烷二氧化碳氮氣濃度比為14:3:1。(4)將白腐真菌菌液(白腐真菌接種PDA培養(yǎng)基中，于35 °C條件下恒溫培養(yǎng)3天后獲得的菌液)與煤粉、礦井水和產(chǎn)甲烷菌富集培養(yǎng)基以1:1:10:2的質(zhì)量比例進行混合。(5)根據(jù)目的區(qū)的含氧情況確定采用厭氧菌群發(fā)酵還是需氧菌-厭需氧菌聯(lián)合發(fā)酵的方式，根據(jù)實驗室小樣實驗成果，確定培養(yǎng)基投加量本例需采用需氧菌-厭需氧菌聯(lián)合發(fā)酵的方式，物質(zhì)投加量參照步驟4)。(6)對目的區(qū)制取生物氣通過鉆孔預(yù)先投加白腐真菌菌液于目的區(qū)中，監(jiān)測反應(yīng)產(chǎn)出的(X)2和&的氣體濃度，待目的區(qū)內(nèi)形成無氧環(huán)境后，將培養(yǎng)基與目的區(qū)所采水樣以 1:10的比例充分混合，通過井口注入目的區(qū)中，密封井口，監(jiān)測產(chǎn)出氣體成分和濃度的變化；此過程中，根據(jù)甲烷和二氧化碳的產(chǎn)出濃度、產(chǎn)出量，調(diào)整投加白腐真菌以及礦井水的量，最大程度地降解殘煤；
(7)待甲烷濃度達到30%后，通過地面煤層氣抽采方式將轉(zhuǎn)化后的生物氣采出利用。上述實施例為本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明所作的改變均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，其特征在于，步驟如下1)對目的區(qū)進行地質(zhì)、采礦基礎(chǔ)資料的收集，并采取煤樣和水樣，并對所取水樣進行厭氧菌群檢測；2)在目的區(qū)原始溫度、pH和礦化度條件下，在實驗室內(nèi)模擬生物甲烷產(chǎn)出的環(huán)境，利用煤樣進行無氧條件制生物氣小樣實驗，以單位質(zhì)量煤產(chǎn)出的甲烷量為標準，確定最適合的培養(yǎng)基配方以富集培養(yǎng)礦井水及煤中所含菌種；3)在實驗室小樣實驗中，同時設(shè)計需氧菌-厭氧菌聯(lián)合降解模式的樣品在煤樣中同時加入白腐真菌菌液、水樣以及培養(yǎng)基，確定各物質(zhì)最佳的添加比例；4)根據(jù)目的區(qū)的含氧情況確定采用厭氧菌群發(fā)酵還是需氧菌-厭氧菌聯(lián)合發(fā)酵的方式，根據(jù)實驗室小樣實驗結(jié)果，確定培養(yǎng)基以及白腐真菌菌液的投加量；5)對目的區(qū)制取生物氣若為有氧環(huán)境，通過鉆孔預(yù)先投加白腐真菌菌液于目的區(qū)中， 監(jiān)測反應(yīng)產(chǎn)出的(X)2氣體濃度，待目的區(qū)內(nèi)形成無氧環(huán)境后，將步驟2)中確定的培養(yǎng)基與目的區(qū)所采水樣混合，注入采空區(qū)中，密封井口，監(jiān)測產(chǎn)出氣體成分和濃度的變化；此過程中， 根據(jù)甲烷和二氧化碳的產(chǎn)出濃度、產(chǎn)出量，調(diào)整投加白腐真菌以及礦井水和培養(yǎng)基的量，最大程度地降解殘煤；若為無氧環(huán)境，略去投加白腐真菌的步驟，直接進行注入培養(yǎng)基與目的區(qū)所采水樣的操作；6)待甲烷濃度達到可利用程度，通過地面煤層氣抽采方式將轉(zhuǎn)化后的生物氣采出利用。
2.如權(quán)利要求1所述的利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，其特征在于，步驟1) 中所述對所取水樣進行厭氧菌群檢測為對礦井水中本源微生物進行分離計數(shù)并進行生理生化特征鑒定。
3.如權(quán)利要求2所述的利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，其特征在于，所述的厭氧菌群為厭氧發(fā)酵菌、厭氧纖維素分解菌、硫酸鹽還原菌以及產(chǎn)甲烷菌。
4.如權(quán)利要求1所述的利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，其特征在于，步驟3) 中，添加白腐真菌菌液進行實驗的同時，設(shè)計無煤空白樣以消除培養(yǎng)基產(chǎn)氣的干擾。
5.如權(quán)利要求4所述的利用微生物降解煤以制取生物氣的方法，其特征在于，所述的白腐真菌菌液為白腐菌接種于PDA培養(yǎng)基中于35°C恒溫培養(yǎng)3天后所獲得的菌液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用微生物降解煤以制取生物氣的技術(shù)。本發(fā)明適用于任何環(huán)境，有氧、無氧都可。在室溫(15℃～35℃)情況下，均能保證生物甲烷的持續(xù)產(chǎn)出，無需考慮以升溫方式激活菌種，從而有效降低開發(fā)成本；采用的白腐真菌對環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，且成本較低，具有工程開發(fā)的可行性；能更加有效地利用不同類型菌群，并提高其作用效果，增加煤體降解率，提高生物甲烷產(chǎn)出量。
文檔編號C12P39/00GK102517368SQ20111042019
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者于洪飛, 吳昱, 夏大平, 常天俊, 徐影, 林曉英, 潘文維, 蘇現(xiàn)波, 郭紅玉, 陳鑫, 龔紅梅 申請人:河南理工大學